超聲診療一體機VINNO 70空化調控功能及聲學測量的研究

張 毅 馮 爽 唐娜嬌 王亞輝 凌 濤 陳惠人 劉 政

超聲影像診斷的最大優勢是安全性好，原因是超聲診斷儀的能量輸出限制在平均聲強（ISPTA）720 mW/cm2、機械指數（MI）1.9以內，其熱效應和空化機械效應均較弱［1］。但若循環中存在超聲造影劑微泡，診斷超聲可能產生一定的生物學治療效應［2］，主要包括微血管壁或組織通透性增高、血腦屏障開放、促進靶向釋藥等［3］。近年來有學者［4-5］將診斷超聲聯合微泡超聲造影劑用于增強臨床腫瘤化療，初步取得較好的治療效果。但超聲診斷儀作為超聲治療設備存在輸出能量低、聲束不能聚焦治療、參數調控性差、工作占空比低等不足。基于此，本實驗在國產超聲診斷儀的基礎上，改進研發了一種相對適合低強度超聲空化治療的超聲診療一體機VINNO 70，通過測量其主要聲學參數，旨在驗證其用于調控空化參數的性能。

材料與方法

一、超聲儀器

VINNO 70超聲診療一體機（蘇州飛依諾科技有限公司），X4-12L線陣探頭，頻率4～12 MHz；S1-8C凸陣探頭，頻率3.5～7.0 MHz。該儀器對超聲造影成像中的微泡擊破模式（即Flash模式）進行了改進，可通過機械指數（MI，可調范圍0～1.3）、脈沖寬度（PL，可調范圍2～24個周期）、脈沖重復頻率（PRF，可調范圍10～2000 Hz）、探頭中心頻率（f，可調范圍3.0～6.3 MHz）、脈沖/間歇時間等5個參數調控微泡空化，該治療模式被稱為VFlash模式。應用1.10版本軟件的聲輸出控制模塊將聲輸出能量控制在診斷范圍。

為使超聲能量在治療感興趣區（ROI）聚集，VFlash模式具有自適應可變焦域技術，該技術利用電子延遲相控和孔徑控制技術匯聚聲束，在掃描平面內劃定的ROI形成任意可變的、能量高于周圍的治療靶區（可調范圍1～5 cm），使靶區內微泡能被調控的空化參數激勵。根據ROI大小和深度，發射時各陣元激勵的超聲信號相位按兩次曲線變化，使各陣元發射的超聲信號經空間疊加，合成的超聲波束產生聚焦現象（圖1）。

圖1 自適應可變焦域技術示意圖

二、儀器與方法

1.聲學測量儀器：薄膜水聽器（HMB-0500，美國Onda公司），用于測量超聲參數及聲場；AIMSⅢ掃描水槽（AST3-S，美國Onda公司），掃描水槽內盛滿脫氣水，應用其自帶的三維定位系統精確控制探頭和水聽器相對位置；功率放大器（2200L，美國E&I公司）；數字示波器（54830B，美國Agilent科技有限公司）。

2.f、PL及PRF的測量：使用水聽器法，掃描水槽盛滿脫氣水，將薄膜水聽器和超聲探頭置于水槽內，通過掃描水槽自帶定位系統使超聲探頭中心和薄膜水聽器位于同一垂直線，探頭位于水聽器上方2 cm處。于VFlash模式下設置不同的PL和f，檢測f、PL、PRF是否與儀器顯示值一致，測量時超聲與示波器同步且僅采集單根線的結果，分別對2個探頭的聲場分布進行三維掃描檢測。

3.聲場分布及峰值負壓（PNP）和MI的測量：將薄膜水聽器和探頭置于充滿脫氣水的水槽中，水聽器位于探頭下方2 cm或5 cm平面，固定f、PL參數，間隔時間0.5 s，聲功率設置為100%。PRF調控范圍為10～2000 Hz，脈沖時間取最大。取不同MI值，通過掃描水槽自帶三維定位系統移動水聽器，掃描所得的PNP最大值為此條件下的實測PNP。VINNO 70能從f、PL、PRF等多方面調控空化效應，測定時采用控制變量法觀察PNP，根據實測PNP計算實測MI［6］，公式：MI=PNP×10-αzf/20×f-1/2/C。其中C=1 MPa·MHz-1/2，α為聲衰減系數，取值0.3 dB·cm-1·MHz-1，z為從換能器到測量點的距離。

4.自適應可變焦域技術靶向擊破微泡能力的檢測：采用電子延遲相控技術匯聚聲束，在超聲影像橫向聲場方向實現可任意調節形狀的1～5 cm大小的可變焦域。在盛滿脫氣水的水槽中加入0.1 ml脂氟顯微泡［（陸軍軍醫大學新橋醫院自制，平均直徑2.0μm，濃度（2～9）×109/ml］，混勻后稍靜置，將探頭置于含微泡的脫氣水中，調整靶向ROI至合適范圍，開啟VFlash模式，記錄聲場中微泡擊破程度。

結 果

一、f、PL、PRF及聲場分布測量結果

X4-12L線陣探頭與S1-8C凸陣探頭測量f、PL、PRF的實驗結果顯示，實測值與超聲診療一體機顯示值均一致（圖2A～F）。VFlash模式下兩種探頭采集的聲場分布見圖2G、H。聲場在Y軸方向基本符合高斯分布；在X軸方向，對于X4-12L線陣探頭，ROI內聲場基本呈標準矩形分布，對于S1-8C凸陣探頭，ROI內聲場呈半周期余弦分布。ROI內聲場較ROI外明顯增強，能實現對ROI的弱聚焦。

圖2 X4-12L線陣探頭和S1-8C凸陣探頭的PL、f、PRF實測圖與聲場分布圖

二、MI實測結果

1.使用X4-12L線陣探頭時，MI實測值與儀器顯示值變化趨勢一致，但實測值均高于顯示值。當f為3.7 MHz，探頭距離為2 cm時，實測值約為顯示值的112%～157%（圖3A）；探頭距離為5 cm時，實測值約為顯示值的185%～267%（圖3B）。當f為3.0 MHz，探頭距離為2 cm時，實測值約為顯示值的83%～129%；當探頭距離為5 cm時，實測值約為顯示值的134%～195%。

2.使用S1-8C凸陣探頭時，MI實測值與儀器顯示值變化趨勢一致，但實測值均低于顯示值。當f為1.7 MHz，探頭距離為5 cm時，實測值約為顯示值的59%～67%（圖3C）；探頭距離為10 cm時，實測值約為顯示值的58%～81%（圖3D）。當f為2.0 MHz，探頭距離為5 cm時，實測值約為顯示值的59%～70%；探頭距離為10 cm時，實測值約為顯示值的60%～80%。

3.X4-12L線陣探頭和S1-8C凸陣探頭MI實測值與探頭距離及f的關系：X4-12L探頭距離為5 cm較距離為2 cm的MI實測值低；S1-8C凸陣探頭距離為10 cm較距離為5 cm的MI實測值低（圖4A、B）。對于X4-12L線陣探頭，f為3.7 MHz時較f為3.0 MHz的實測值低；對于S1-8C凸陣探頭，f為2.0 MHz較f為1.7 MHz的實測值高（圖4C、D）。

三、自適應可變焦域技術擊破微泡檢測結果

診斷脈沖（超聲造影模式）時，微泡均勻充滿各個區域；治療脈沖時，ROI內微泡被靶向性擊破，下一次診斷脈沖可見微泡再灌注，直到下一次治療脈沖再次被擊破（圖5）。ROI內超聲擊破微泡的參數：PL為18個周期、PRF為50 Hz，X4-12L線陣探頭顯示MI為0.46，S1-8C凸陣探頭顯示MI為1.01，脈沖/間歇時間為0.5 s/1 s。

圖4 X4-12L線陣探頭與S1-8C凸陣探頭MI實測值與探頭距離及f的關系

圖5 VINNO 70超聲診療一體機自適應可變焦域靶向擊破微泡實驗圖

討 論

近年來，超聲空化技術在基礎和臨床領域均得到了廣泛應用，特別是低強度超聲激勵微泡空化諧振，在基因轉染、靶向藥物釋放、開放血腦屏障及腫瘤放化療方面均有重要意義［7-8］。普通超聲診斷儀僅能通過單一參數MI調控空化，空化相關的f、PL、PRF等參數則無法調控，特別是PL在普通診斷超聲發射中僅1～2個周期，幾乎不能產生慣性空化諧振。由于空化發生的隨機性特點，單一的MI調節難以保證空化強度的穩定性和持續性［9］。因此，國外已開始對超聲診斷儀進行改進，以保證在診斷超聲能量范圍內進行空化治療，但調控參數及范圍仍然有限，如Philips iE 33和西門子Sequoia 512僅對PL增加了2檔調節，對其他空化相關參數（f、PRF等）仍無法調節，且不具備自適應可變焦域功能［10］。VINNO 70超聲診療一體機是一種兼有完整的超聲影像診斷與微泡超聲空化調控治療功能的新型診療一體機，其可從f、PL、PRF等方面多檔調控空化，具有自適應可變焦域技術，可實現靶向弱聚焦，能更加精準地在ROI靶區調控空化。

在現行診斷超聲標準（平均聲強ISPTA720 mW/cm2，MI 1.9，熱指數6.0）限制下［1］，實施空化參數大范圍調控較困難，但本實驗結果顯示，VINNO 70可調控f、PL、PRF及脈沖/間歇時間，表明其可在一定范圍內進行空化參數的調控。結合臨床治療實際應用情況，線陣探頭治療深度主要為2～5 cm，凸陣探頭治療深度主要為5～10 cm，因此，本實驗線陣探頭深度選取2 cm和5 cm，凸陣探頭深度選取5 cm和10 cm。研究［11］顯示，空化參數中PNP與微泡空化的強度相關性最佳，而在診斷超聲中，PNP與f相結合以MI表示。本實驗結果顯示，MI實測值與儀器顯示值仍有較大差距，偏差約58%～267%。分析原因可能為：①一般儀器MI顯示值是通過測量聲場多個取樣點后，推算其聲場分布得出的估測值，與該點的實測值有一定差異；②本儀器設置的自適應可變焦域技術使聲束在ROI弱聚焦，進一步增加了聲壓的差異。本實驗實測情況發現，線陣探頭MI實測值高于顯示值，水聽器與探頭的距離從2 cm增加到5 cm后，ROI自適應可變焦域聚焦可能避免了聲場中常見的近場干擾［12］，聚焦效果有所改善，因此，PNP實測值較顯示值偏差更大（約185%～267%）。凸陣探頭的MI實測值低于顯示值，當水聽器與探頭距離為5 cm時，PNP實測值與顯示值偏差較大（約59%～67%），再次證實近場干擾對PNP影響較大。另外，改變探頭f也會影響MI實測值。

除MI外，VINNO 70超聲診療一體機還可以較大范圍地調控其他參數，如f、PL及PRF。這些參數均是由高頻放大電路信號激勵換能器晶片產生的聲輸出，因此，可以從理論上推測顯示值與實測值無差別［13］。本實驗測量了f、PL及PRF，其實測值均與儀器顯示值一致，說明超聲儀器基本聲學參數變化不大，可以保證超聲調控參數的穩定性。自適應可變焦域技術產生的靶向弱聚焦不僅在聲場分布中得到驗證，在實際的水槽微泡擊破實驗中，也可觀察到ROI內微泡靶向擊破，與聲場分布一致。表明該技術產生的弱聚焦在實際應用中可以靶向擊破微泡。

盡管VINNO 70超聲診療一體機有一定優勢，但其仍有不足：該儀器僅在二維平面上實現了空化調控和弱聚焦功能，在實際腫瘤治療中需結合探頭偏轉或旋轉才能實現靶區的三維覆蓋。另外，該儀器工作占空比低，雖然實現了將診斷超聲的占空比從0.001%提高到了0.1%，但作為治療超聲能量密度仍不足。今后的實驗應對上述不足進一步分析。

綜上所述，VINNO 70超聲診療一體機能從多個參數調控超聲空化，且具有自適應可變焦域技術，能實現靶向弱聚焦。但實施超聲治療時MI值應以聲學實測值為準，且測量時需估算好超聲治療靶區與換能器的距離，以免產生較大的治療效應差別。